CN104660132B - 操控电机的方法、电机、控制设备和机器可读存储介质 - Google Patents

Abstract

用于操控电机的方法。本发明涉及用于操控至少能以电动机方式运行的电机的方法，电机具有：转子、具有一定数目的相的定子绕组和具有与相的数目相对应数目的半桥的变流器，半桥分别具有在变流器的直流电压接线端子之间串联布置的两个有源开关元件，在开关元件之间连接相，其中在转子高于极限转速旋转的第一电动机运行模式中，通过开关元件的布线给相施加彼此相移的交流电流信号，交流电流信号的频率依赖于转速地被调整。在转子静止或低于极限转速旋转的第二电动机运行模式中，通过开关元件的布线根据转子的瞬时角位置给相至少部分地施加恒定的直流电流信号，其中直流电流信号被选择为使得没有流经相的电流超过预先给定的最大电流绝对值。

Description

操控电机的方法、电机、控制设备和机器可读存储介质

技术领域

本发明涉及用于操控电机的方法以及用于实现这样的方法的装置。

背景技术

机动车辆中的用于将机械能转化成电能的发电机是公知的。在此，大多使用爪极发电机。根据现有技术，爪极发电机大多配备有电励磁装置。由于爪极发电机例如三相或五相地生成旋转电流，因此机动车辆的常见直流电压车载电源需要整流。现有技术是基于半导体二极管的整流器或有源整流器。

也可以用于起动内燃机的发电机是公知的（“启动器发电机”，RSG）。通常，这样的起动器发电机仅仅在非常小的转速的情况下以电动机方式运行，因为可生成的转矩在转速上升的方向上迅速下降。

相应的发电机例如是从混合动力车辆的领域中公知的。在此目标是，在内燃机还不提供其满转矩的低转速的情况下，对内燃机进行支持（增压运行、涡轮锁定补偿）。

为了能够提供所需的功率，这样的驱动装置通常在与按照标准存在于车辆中的车载电源电压（例如12V）相比明显更高的电压（例如48V）下运行。出于该原因和其它原因而包括两个或更多个电平（比如12V和48V）的车载电源也被称为“双电压车载电源”或“多电压车载电源”。

下面同义地使用诸如“电机”、“（电）驱动装置”和“电动机”的术语。在每种情况下，其是至少部分地可以电动机方式、必要时还以发电机方式运行的电机，该电机的定子绕组通过变流器利用电流（相电流）根据预先给定的操控模式来换向。在此，应将“定子绕组（Ständerwicklung）”或“定片绕组(Statorwicklung)”理解成由多个电线圈构成的装置。这样的定子绕组在所观察的本电机中被构造成多相绕组。在该多相绕组中，电线圈单个地或成组地例如以星形或三角形形式彼此接线。线圈的数目或者多组相同地布线的线圈的数目对应于电机的相数。

从热学角度来看，当在此定子绕组被再次通电时，所述低转速以及尤其是电机的静止状态是特别关键的。由于相电流在低转速情况下仅仅缓慢地改变并且因此可能较长时间处于高水平并且在静止状态下甚至具有恒定值，因此在此可在短时间中导致由于过热引起的操控电子设备的损坏。

但是同时必须保证：电机也可以在离开静止状态后迅速生成尽可能高的转矩，以便例如实现车辆的电起动。因此，完全中断通电是不期望的。

本发明将在此提供补救，并且改善对相应电机尤其是在静止状态下的操控。

发明内容

在这种背景下，本发明提出了用于操控电机的方法以及用于实现这样的方法的装置。

发明优点

本发明的出发点是本身公知的从上面的意义而言用于操控至少能以电动机方式运行的电机的方法。这样的电机包括转子、具有一定数目的相的定子绕组、以及具有与相的数目相对应数目的半桥的变流器，所述半桥分别具有在变流器的两个直流电压接线端子之间串联布置的有源开关元件。在所述串联布置的例如MOSFET的开关元件之间连接有所述相。相应的连接位置也被称为半桥的“中间分接头”。如就此而言公知的那样，在转子高于极限转速旋转的第一电动机运行模式中，通过开关元件的布线给相施加彼此相移的交流电流信号，所述交流电流信号的频率以依赖于转速的方式被调整。

本发明的一个重要方面是使用两个不同的运行模式，所述两个运行模式中的第一运行模式主要或仅仅在（快速）旋转的定子的情况下被使用，并且第二运行模式主要或仅仅在缓慢旋转或静止的转子的情况下被使用。第一运行模式包括用彼此相移的交流电流信号来操控相，第二运行模式包括用直流电流信号来操控所述相中的至少一些，如将在下面阐述的。

用作关于是使用第一运行模式还是第二运行模式的标准的“极限转速”例如可以是存放在控制设备中、必要时还可变的转速阈值。但是还可能的是，在转子以不等于零的最小转速旋转时就已经使用第一运行模式。在这种情况下，不等于零的最小转速是如下的极限转速：低于该极限转速，转子于是不再旋转、而是静止。

如果转子恰好以极限转速旋转（在实际中，这仅仅非常短地在提高或减小转速时进行），则可以要么使用第一运行模式、要么使用第二运行模式，其中也可以在提高和减小转速之间作出区分。在提高转速时，可以在转子达到极限转速时仍然使用第二运行模式或者已经使用第一运行模式。在减小转速时，可以在转子达到极限转速时与提高转速无关地同样仍使用第一运行模式或者已经使用第二运行模式。

由于第二运行模式较不适用于旋转的电机，因此当转子被置于旋转中时，有利地切换到第一运行模式。在此，根据本发明的方法不必一定包括：在相应电机开动时立即从第二运行模式切换到第一运行模式。这也可以在高于在这种情况下明显不等于零的极限转速的情况下才进行，其中在所述极限转速以下，可能由第二运行模式造成的缺点还未显示出大的影响。

已经提到的第二运行模式在转子静止或者在所提到的极限转速以下旋转时执行。在该第二运行模式中，定子绕组的相通过开关元件的布线根据转子的瞬时角位置被至少部分地施加恒定的直流电流信号。就此而言，该运行模式可以如下面所阐述的那样仍然对应于已知运行模式、即当相应常规换向通过减小频率而通向相应的恒定直流电流信号时。但是如下面所阐述的那样，该常规直流电流信号可能导致：开关元件或其操控电路被非常不同地热负载，并且因此可能发生故障。

而根据本发明规定：在转子静止或低于极限转速旋转的第二运行模式中，直流电流信号被选择为使得没有流经相的电流超过预先给定的最大电流绝对值，并且d/q坐标系中的基于流经相的电流所确定的空间矢量的绝对值大于该最大电流绝对值。在常规的操控方法中，如下面所说明的那样，d/q坐标系中的基于流经相的电流所确定的空间矢量的绝对值与最大电流绝对值、即相应的例如正弦形的电流信号的幅度基本上一样大。

d/q坐标系中的相应空间矢量Idg的确定是一般公知的，并且通过克拉克和帕克变换来进行。克拉克变换（α/ß变换）将相参量合并成以电频率旋转的空间矢量，帕克变换（d/q变换）将该空间矢量变换成旋转场固定的d, q坐标系。相应空间矢量的绝对值用|Idq|来表示。通过该变换，将具有相应轴（在五相电机的情况下例如为轴A－E或U－Y）的多相参量转变成具有轴d和q的两相坐标系。相应的方法是用于旋转电流机的矢量调节的数学基础的一部分，并且就此而言对于专业人员是公知的。相应的d/q坐标系在静止情况下随着转子旋转，并且值对d/q表示时间上恒定的参量。

如果将本方法用在具有五个相的通过具有五个半桥的变流器来操控的电机，则有利地通过五个半桥中的第一个将具有第一绝对值的正电压信号、通过五个半桥中的第二个将具有第一绝对值的负电压信号、通过五个半桥中的第三个将具有第一绝对值的一半的正电压信号、通过五个半桥中的第四个将具有第一绝对值的一半的负电压信号、以及通过五个半桥中的第五个不将电压信号输出给相，这还将在后面尤其是参考图6和7予以阐述。

但是本发明相应地还适用于具有其它相数的电机，例如四相、六相、七相、八相、九相和多相电机。

根据同样根据本发明设置的电机包括使得能够实现根据本发明的方法的全部装置。这样的电机尤其是还包括控制设备，该控制设备被设立用于在转子高于极限转速旋转的第一电动机运行模式下通过开关元件的布线给相施加彼此相移的交流电流信号，所述交流电流信号的频率以依赖于转速的方式被调整。另外，根据本发明，该控制装置被设立用于在转子静止或低于极限转速旋转的第二电动机运行模式中通过开关元件的布线根据转子的瞬时角位置给相至少部分地施加恒定的直流信号，其中所述直流信号被选择为使得没有流经相的电流超过预先给定的最大电流绝对值，并且d/q坐标系中的基于流经相的电流所确定的空间矢量的绝对值大于该最大电流绝对值。

根据本发明的计算单元、例如机动车辆的控制设备尤其是以编程技术被设立为执行根据本发明的方法。

以软件形式实现该方法也是有利的，因为这尤其是在进行实施的控制设备还用于另外的任务并且因此总归存在时导致特别小的成本。用于提供计算机程序的合适数据载体尤其是磁盘、硬盘、闪存、EEPROM、CD－ROM、DVD等。通过计算机网络（因特网、内联网等等）下载程序也是可能的。

本发明的另外的优点和构型从说明书和附图中得出。

能够理解，前述和下面仍要阐述的特征不仅可以以分别说明的组合、而且还可以以其他组合或单独地使用，而不偏离本发明的范围。

本发明是根据附图中的实施例示意性示出的，并且下面参考附图予以详尽描述。

附图说明

图1以示意性部分图示出了可根据本发明来操控的五相电机。

图2图解了根据现有技术的用于操控电机的方法。

图3图解了根据现有技术的在旋转的电机中的相电流。

图4图解了根据现有技术的在起动的电机中的相电流。

图5图解了根据本发明的一个实施方式的在起动的电机中的相电流。

图6图解了在根据本发明的一个实施方式所描述的电机中的相电压。

图7图解了根据本发明的一个实施方式的用于静止的电机的操控方法。

图8图解了在根据图7进行操控时缓慢转动的电机中的相电流变化曲线。

图9图解了根据本发明的一个实施方式的在起动的电机中的相电流。

具体实施方式

在图中用相同附图标记来说明彼此对应的元件。为清楚起见，放弃了重复的阐述。

图1以示意性部分图示出了可用在本发明的范围内的五相电机。该电机总体上用10来表示。在此，图1仅仅示出了以五相星形电路的形式实现的定子绕组11。转子17是仅仅部分地示例性地以励磁绕组的形式来图解的。被设立用于操控五相电机10的控制设备是高度示意性图解的，并且总体上用20来表示。控制设备20被构造用于将操控信号输出给有源开关元件14，使得给定子绕组11的相A至E输出相应的电流或电压信号。

为了换向，给定子绕组11分配变流器12，该变流器12具有与电机的相数相对应数目的半桥13之一。在半桥13中，分别串联有源开关元件14、例如MOSFET。半桥13的端部与正和负电压接线端子15和16、例如车辆电池的相应极连接。在此，应将术语“变流器分支”理解成相应半桥13的分别直接与电压接线端子15和16之一相连接的一半。在此，“上”或“正”变流器分支（“高侧”）包括分别连接在半桥13的中间分接头与正电压接线端子15之间的全部开关元件14，而“下”或“负”变流器分支（“低侧”）包括分别连接在半桥13的中间分接头与负电压接线端子16之间的全部开关元件14。

半桥13的中间分接头（无附图标记）与定子绕组11的相A至E连接，所述相在此逆时针地用所谓的大写字母来表示。通过合适地操控、即通过变流器12电流施加相应的电流（如下面参考图2所阐述的那样），在各个相A至E中产生相应的相电流，所述相电流在后面用I_A至I_E（或I_A至I_E）来表示。

尤其是应当指出，直流电压接线端子15和16通常与同常见的车载电源电压（例如12V）相比提供更高电压（例如48V）的电压源连接。开关元件14基于合适的操控信号被接通和关断，使得在相A至E中如所提到的那样生成相应的相电流I_A至I_E，所述相电流I_A至I_E的频率与电机10的转速成比例地被调整。相电流通常是正弦形的。

图2图解了三角正弦调制方法，所述三角正弦调制方法根据现有技术通常被用于生成这样的操控信号。在此，在图2的部分图A和B中，相对于横坐标上以ms为单位的时间，分别在纵坐标上绘出了以V为单位的电压。为此，预先给定的额定电压21与三角信号22叠加，该三角信号22与额定电压21相比具有明显更高的频率、通常为10kHz或更高。

在部分图B中示出的操控信号23通过如下方式生成：当三角信号22大于额定电压信号21时，为操控信号23使用值“1”，否则使用值“0”。利用该操控信号23，例如分别操控根据图1的电机10的半桥13的开关元件14。用于相同变流器分支中的其它开关元件14、例如高侧MOSFET的操控信号通过对操控信号23进行相应相移而得出。对分别另一变流器分支中的元件14的操控与之相反地进行，必要时以一时间间隔进行以便避免“热路径”。

图3示出了以A为单位的在相角0°至400°范围内的相电流I_A至I_E，所述相电流I_A至I_E在转动的电机和正弦形相电压预先给定的情况下生成。根据旋转速度，所述相角对应于变化的时间，其中时刻t0在此被给定为参考。在对称分布的情况下，各个相电流I_A至I_E可以被合并成空间矢量|Idq|。为此，使用文献中公知的克拉克（Clark）和帕克（Park）变换：

。

可生成的转矩处于与Idq空间矢量的q分量成比例的一阶逼近中。如图3中所示，该空间矢量的长度对应于正弦形相电流的幅度。该有效值对于电机的热负载而言是决定性的。在转动的电机和正弦形相电流的情况下，有效值I_Eff从相应相电流的幅度A(I_phase)中计算出，其中I_phase可选地代表电流I_A至I_E之一：

。

在图4中示出了针对如下场景的随着以s为单位的时间的电流变化曲线I_A至I_E：在所述场景中，电机首先静止并且然后（在大约0.5s以后）才开始转动。在0至0.5s之间（即在静止状态期间），不同大小的直流电流流入到相A至E中，其中所述大小从电机的当前角位置中得出（所述静止状态电流同时对应于根据图3的电流变化曲线在时刻t0的瞬间记录）。在图4中示出了对于相A不利的情况，因为在此持续地施加最大相电流。

为了再次达到与在转动的电机的情况下相同的（平均）热负载，相电流幅度必须被减小为，但是这也导致起动转矩的相应减小。

在图4中同样可以辨认出，在其余相B至E中有比在相A中明显更小的电流流动。现在，本发明的基本构思在于，通过合适的操控来实现更均匀的电流分布，并且同时生成长度尽可能大的电流空间矢量。

在此在理想情况下，所有电流为同样大的。但是该情况在本五相电机的情况下由于非偶数的相数而不能实现，因为电流总是要么通过两相流入到电机中并且通过三相再次流出、要么反之。

一种操控最接近这种理想情况，在所述操控的情况下，在两个相中有同样大的正相电流流动，在两个另外的相中有同样大的负相电流流动，并且在第五相中电流为零。

这样的操控在图5中予以示出。如果根据上面所说明的变换规定来计算与此有关的电流空间矢量，则得出：其绝对值|Idq|为最大出现的相电流的1.23倍（相对于常规操控情况下的倍数1）。

图6示出了为了生成这样的电流变化曲线而必须施加到相上的相电压。对于所观察的情况，相C中的电流应当变为零，相应地在该相上施加电压零。相A和B连接到正，相D和E连接到负。

从相A中得出到相D和到相E的电流，其中后者通过两个线圈（A－C－E）走向，使得在A与E之间存在与A与D之间相比双倍那么大的欧姆电阻。从相B中同样得出到相D和E的电流，但是所述电流分别仅仅通过一个线圈走向。

为了尽管该非对称的电阻分布仍然获得同样大的相电流，相B和D处的电压必须被选为相A和E处的电压的一半大，这如下列计算所示：

。

根据静止的电机的角位置，该操控模式必须相应地转动。通过电旋转的所需操控矢量在图7中示出，其中Phi在图7的表中对应于相角，并且在列A至E中说明了相对电压预先给定。

能够理解，在此处和在上面，所示电压预先给定-1、-0.5、0.5和1不必分别对应于-1、-0.5、0.5和1V，而是还可以表示关于分别使用的电压的相对说明。 -1的预先给定例如可以对应于-48、-36、-24或-12V或者每个其它容许的电压值。相应地，1的值例如可以对应于48、36、24或12V。值-0.5和0.5分别为其一半。电压预先给定的绝对大小在此被选择为使得在值为1的情况下不超过最大容许的电流，并且如在常规操控的情况下那样通过面向现场的（feldorientiert）上级调节来调整。

图8示出了在电机在使用图7中图解的操控模式情况下缓慢转动时通过电旋转的相电流变化曲线。能够认出，该操控模式较不适用于转动的电机，因为每次关断相电流都导致相邻相中的电流峰值。此外可以认出，空间矢量的q分量通过电旋转不是恒定的，而是带有谐波的，这将会导致与常规操控相比提高的转矩脉动性。

因此，本发明规定：所阐述的操控方法（参见图7）仅仅用在静止状态下并且一旦电机开始以一定的最小速度转动或换言之一旦超过极限转速就例如切换到常规正弦形电压预先给定（参见图3）。

本发明的通用可置换性根据图9来图解，在图9中示出了对六相电机的操控。在根据图2的正弦换向的情况下，得出类似于图3（但是附加的相和相应匹配的偏移）的图。在此，也得到电流空间矢量Idp，其长度对应于相电流的幅度。

而如果进行根据图9的操控（类似于图5，但是具有附加的相电流I_F），则得出如下的电流空间矢量：所述电流空间矢量的绝对值为相电流的幅度的1.33倍。针对相电流的推导或关于其生成，专业人员根据电机的相应特殊构造来使用之前阐述的原理。

Claims (12)

1.用于操控至少能以电动机方式运行的电机（10）的方法，所述电机（10）具有：转子（17）、具有一定数目的相的定子绕组（11）、以及具有与相的数目相对应数目的半桥（13）的变流器（12），所述半桥（13）分别具有在变流器（12）的直流电压接线端子（15，16）之间串联布置的两个有源开关元件（14），在所述有源开关元件（14）之间连接相，其中在转子（17）高于极限转速旋转的第一电动机运行模式中，通过开关元件（14）的布线给相施加彼此相移的交流电流信号，所述交流电流信号的频率以依赖于转速的方式被调整，其特征在于，在转子（17）静止或低于所述极限转速旋转的第二电动机运行模式中，通过开关元件(14)的布线根据转子(17)的瞬时角位置(Phi)给相至少部分地施加恒定的直流电流信号，其中所述直流电流信号被选择为使得没有流经相的电流超过预先给定的最大电流绝对值，并且d/q坐标系中的基于流经相的电流所确定的空间矢量的绝对值（|Idq|）大于所述最大电流绝对值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过具有五个半桥（13）的变流器来操控具有五相（A－E）的电机（10），所述半桥的开关元件（14）在第二运行模式中被布线为，使得通过半桥（13）中的第一个将具有第一绝对值的正电压信号、通过半桥（13）中的第二个将具有第一绝对值的负电压信号、通过半桥（13）中的第三个将具有第一绝对值的一半的正电压信号、通过半桥（13）中的第四个将具有第一绝对值的一半的负电压信号、以及通过半桥（13）中的第五个不将电压信号输出给相。

3.根据权利要求2所述的方法，其中定子绕组（17）的星点处的电压信号用以星形电路彼此连接的五个相（A－E）来输出。

4.根据权利要求1所述的方法，其中具有四个、六个或更多个相的电机（10）通过具有相应四个、六个或更多个半桥（13）的变流器来操控。

5.根据前述权利要求1至4之一所述的方法，其中d/q坐标系中的空间矢量的绝对值通过克拉克和帕克变换来确定。

6.根据前述权利要求1至4之一所述的方法，其中最大电流绝对值借助于面向现场的调节来确定。

7.根据前述权利要求1至4之一所述的方法，其中在第一运行模式中，分别通过开关元件（14）的布线基于三角正弦调制给相施加交流电流信号。

8.电机（10），其至少能以电动机方式运行，所述电机（10）具有：转子（17）；具有一定数目的相的定子绕组（11）；具有与相的数目相对应数目的半桥（13）的变流器（12），所述半桥（13）分别具有在变流器（12）的直流电压接线端子（15，16）之间串联布置的两个有源开关元件（14），在所述有源开关元件（14）之间连接相；以及控制设备（20），其被设立为在转子（17）高于极限转速旋转的第一电动机运行模式中通过开关元件（14）的布线给相施加彼此相移的交流电流信号，所述交流电流信号的频率以依赖于转速的方式被调整，其特征在于，控制设备（20）被设立为在转子（17）静止或低于所述极限转速旋转的第二电动机运行模式中通过开关元件(14)的布线根据转子(17)的瞬时角位置(Phi)给相至少部分地施加恒定的直流电流信号，其中所述直流电流信号被选择为使得没有流经相的电流超过预先给定的最大电流绝对值，并且d/q坐标系中的基于流经相的电流所确定的空间矢量的绝对值（|Idq|）大于所述最大电流绝对值。

9.电机（10）的控制设备（20），所述控制设备（20）被设立为执行根据权利要求1至7之一所述的方法。

10.根据权利要求9所述的控制设备（20），其中所述电机（10）是根据权利要求8所述的电机（10）。

11.机器可读存储介质，其具有存储在上面的计算机程序，所述计算机程序在其在控制设备（20）上实施时促使所述控制设备（20）执行根据权利要求1至7之一所述的方法。

12.根据权利要求11所述的机器可读存储介质，其中所述控制设备（20）是根据权利要求9或10所述的控制设备（20）。